水土農化因子與利川莼菜產量的相關關系研究

龔漢雨,柯金松，董琪琪，鄧紅平，冉 露，周富忠,鄧楚洪，余光輝

(1.中南民族大學武陵山區特色資源植物種質保護與利用湖北省重點實驗室，湖北武漢 430074;2.中南民族大學南方少數民族地區資源保護綜合利用聯合工程中心，湖北武漢 430074;3.中南民族大學生命科學學院，中國莼菜研究所，湖北武漢 430074;4.利川市農業農村局，湖北利川 445000)

莼菜(J.F.Gmel.) 隸屬于睡蓮科或水盾草科或莼菜科(Cabombaceae) 莼菜屬()多年生植物，也是極具民族地區特色的水生蔬菜，被列為利川市脫貧攻堅的支柱產業。莼菜的嫩芽和嫩葉依附有透明果膠質，其內含有豐富的多糖、氨基酸、多酚、蛋白質、維生素、組胺及鋅、鈣、鐵和硒等微量元素，具有抗腫瘤、抗潰瘍、抗菌消炎和促進免疫等生物活性功能，被冠以“世界珍奇”“中國一絕”“21世紀生態蔬菜”“生命蔬菜”“美容蔬菜”“人類的免疫促進劑”等多種榮譽稱號，是我國傳統藥食兩用的名貴蔬菜。近年來，隨著全球氣候變暖和人為活動的影響，野生莼菜的自然種群數量急劇減少，分布范圍大幅縮減，被列為國家一級瀕危植物。其栽培種則主要分布于利川市佛寶山和涼霧鄉、浙江西湖、江蘇太湖以及四川螺吉山地區。

莼菜是多年生宿根草本植物，以無性繁殖為主，遺傳多樣性較低，種群結構單一。莼菜棲息于山區原生態水田或者沼澤濕地中，喜清澈、冷涼且流動的優質山泉水，要求土壤有機質含量豐富，生態環境和諧，才能確保形成厚實的黏液果膠。

利川市擁有適宜莼菜生長的獨特生態環境和山地高寒氣候，人工栽培種和作為水生蔬菜的產業都方興未艾，被譽為中國莼菜之鄉。 利川莼菜因質優量大、營養豐富而被評為國家地理標志產品。鑒于莼菜野生種群處于極度瀕危狀態，通過研發高產栽培技術，促進生長發育，改善產量性狀進而促進莼菜栽培種群的穩定和均衡發展，是目前保護該瀕危植物不被滅絕的最有效方式。筆者通過對利川市莼菜主產區水土樣品隨機進行農化檢測和分析，探討其和莼菜生長及產量的相關性，為研究莼菜抵御不良環境因子的內在生物學機理、瀕危原因，進而制定相關的保護措施奠定基礎。

1 材料與方法

取樣時間為 2019 年 6 月 6 日，取樣地點為利川市莼菜主產區——涼霧鄉的仙女洞(XND,108°48′06″E，30°12′01″N) 、陶家溝(TJG,108°50′16″E，30°13′09″N)、水源頭村(SYT,108°56′51″E，30°12′35″N) 、繼昌村(JCC,108°47′52″E，30°10′10″N) 和玉爾溝(YEG,108°41′09″E，30°14′21″N)，每個地點不同田塊中隨機9次取樣。

水土農化檢測方法。水環境和土壤環境農化檢測方法和儀器見表1、2。

產量檢測。鑒于莼菜嫩芽為主要食用部分，重復檢測田中單位面積(1 m) 上莼菜嫩芽產量和單個嫩芽的重量，重復樣本為=9。

使用 GraphPad Prism 8軟件進行顯著性差異(One way ANOVA,Multiple comparisons) 和相關性的數據分析(Linear regression,Correlation)。

2 結果與分析

水質檢測結果見圖1，結合國家生態環境部于2021年1月20日發布的農田灌溉水質標準(GB 5084—2021) 的限值，結果表明，水源頭村(SYT) 的五日生化需氧量分別與TJG、JCC和YEG之間存在極顯著差異，與XND之間存在顯著差異，但均遠低于60 mg/L；化學需氧量和五日生化需氧量類似，只是增加了XND和JCC之間的顯著差異，也遠低于150 mg/L的標準(圖1A、B)。同時，依據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002) ，化學需氧量和五日生化需氧量基本處于二三類水質指標范圍內；氯化物和全鹽量含量在各田塊間差異極顯著，但氯化物含量遠低于350 mg/L，甚至遠低于生活飲用水衛生標準(GB 5749—2006) 的250 mg/L限值(圖1C)；全鹽量也遠低于非鹽堿地1 000 mg/L的標準值(圖1D)，說明水體受人類活動影響較小，未受到污染； pH在田塊間顯著差異，均處于5.5～8.5正常值范圍內(圖1E)。此外，陰離子表面活性劑、硫化物和六價鉻均未檢出(數據未提供)。上述結果說明水體中的各種化學成分和污染物未超出國家標準，未受到人類活動的污染，化學性質總體上較穩定。

表 1 水環境農化檢測方法和儀器Table 1 Detection methods and instruments of agricultural chemistry in water

表 2 土壤環境農化檢測方法和儀器Table 2 Detection methods and instruments of agricultural chemistry in soil

注：*表示差異顯著(P<0.05),**表示差異極顯著(P<0.01) Note:*indicated significant different level (P<0.05),**indicated significant different level(P<0.01)圖1 水質檢測分析結果Fig.1 Analysis results of water quality test

檢測結果見圖2，滴滴涕和六六六在田塊間差異不顯著，遠低于《農用地土壤污染風險管控標準(試行)GB 15618—2018》中風險篩選值0.1 mg/kg(圖2A、B)，說明利川當地各個不同小氣候條件下莼菜田土壤未受到明顯農事活動的污染，農藥殘留量極小。

全氮含量基本超過了《南方地區耕地土壤肥力診斷與評價(NY/T 1749—2009)》中有關南方地區土壤肥力評價的主要理化指標建議值，且在不同田塊間出現顯著或者極顯著差異，但水解氮在各個田塊間差異不顯著，根據全國第二次土壤普查養分分級標準，全氮和水解氮含量基本處于三級水平之上(圖2C、D)，與湖北省主要稻田土壤數值變化范圍一致，可能是土壤中的難溶解有機氮的差異導致全氮的顯著差異，但對于莼菜生長供應有效氮素的能力方面則差異不顯著。

結合綠色食品產地土壤肥力等級標準，速效鉀為100～150 mg/kg，基本處于一、二級范圍內(圖2E)，有效磷>15 mg/kg，處于一級指標范圍內(圖2F)；也與王偉妮等研究的鄂西南地區變幅17.0～243.0相一致，達到二級水平，超過了《南方地區耕地土壤肥力診斷與評價(NY/T 1749—2009)》中南方地區土壤肥力評價主要理化指標標準值；各田塊間pH無顯著差異，且處于5.5～8.5正常值范圍內 (圖2G)，與湖北省主要水田土壤pH變化范圍相一致(《湖北土壤》2015)，也處于5.5～7.5的變化范圍內，為3～4級土壤。根據全國第二次土壤普查推薦的肥力分級標準，雖然仙女洞(XND) 田內土壤有機質含量極顯著超過了其他田塊，水源頭村也顯著高于繼昌村，但基本處于一、二級范圍內(>3%)，為“豐富”級(圖2H)，且與底質含水量(圖1F) 變化范圍相一致。

隨機分析5個村田塊內單個嫩芽和單位面積(1 m) 內嫩芽的鮮重，結果表明，5個田塊間產量指標無顯著差異(>0.05)，所有田塊內莼菜生長發育狀況和產量基本一致(圖3)。

分析了單個莖尖鮮重WSS(weight of single shoot) 和單位面積產量(=9) 分別與水體中5種、土壤中9種農化指標的相關性(圖4、5)。結果表明，水體中農化指標與單芽重和產量均無顯著相關性；而在土壤農化指標中，除仙女洞田塊中底質含水量與產量表現出顯著相關性外 (<0.05)，其他均無顯著差異 (>0.05)，表明水土中各類農化因子未對莼菜生長發育和產量指標產生明顯影響，也說明田內生態環境和水土條件比較適宜莼菜生長發育，該地區的莼菜長勢和產量比較穩定。

3 討論

結合國家各類水質標準，各田塊內水體在一些農化指標上出現極顯著或顯著差異，但均遠低于相關標準，部分指標尚未檢出，農藥殘留量極低，說明水質總體上保持優良，基本處于二三類水質指標范圍內，與前人研究結果一致。說明水體受人類農事活動影響較小，未受到污染，化學性質總體上較穩定。由于莼菜田長期實行流動的活泉水灌溉，也證明了該方式是保持水質優良和莼菜良好生長的主要原因。

土壤是農業生態系統營養元素循環中的重要組成成分，調控各類營養元素的貯存、釋放和轉化，并受到成土母質、氣候條件、土地耕作方式、植被變化以及施肥方式等人為和自然因素的綜合影響。各田塊內速效養分如水解氮處于三級水平之上；有效磷達到二級水平；速效鉀基本處于一、二級范圍內；且差異不顯著。速效養分能夠較靈敏地反映土壤氮、磷、鉀素動態和供應水平，且含量穩定，莼菜生長和產量未出現顯著差異且保持穩定，說明田內速效養分能滿足莼菜生長所需。該研究還發現莼菜田內速效鉀含量略高于水稻田，而莼菜田為多年長期淹水狀態，淹水時間長于水稻田，再次印證了長期淹水環境有利于鉀元素通過“向下淋溶”效應而富集在土壤中的這一結論。全量養分如全氮含量超過相關標準，且出現顯著或者極顯著差異，但還處于三級水平之上；有機質含量和底質含水量相對于其他田塊間達極顯著或者顯著水平，基本都處于一、二級范圍以內。導致上述結果的原因可能是土壤中難溶解的有機氮的差異致使全氮含量出現顯著差異，小氣候和小環境以及獨特的當地土壤母質導致有機質含量差異；由于莼菜田實行的是活泉水流動灌溉，各類速效養分交換頻繁，導致差異不顯著，但又能夠滿足莼菜生長所需。說明有機質雖然出現了顯著差異，但仍能夠持續為莼菜田提供足夠的速效養分，是速效養分供應的基石，且對于莼菜減少對重金屬的吸收，保持天然無公害的特性具有重要作用。

注：*表示差異顯著(P<0.05),**表示差異極顯著(P<0.01) Note:*indicated significant different level (P<0.05),**indicated extremely significant different level(P<0.01)圖2 土壤檢測分析結果Fig.2 Analysis results of soil test

圖3 產量分析Fig.3 Output analysis

注：A、B為仙女洞村(XND)；C、D 為陶家溝村(TJG)；E、F為水源頭村(SYT)；G、H為繼昌村(JCC)；I、J分別為玉爾溝村(YEG)圖4 單個莖尖鮮重和產量與水質農化指標相關性分析Fig.4 Correlation analysis of agricultural chemical factors in water between fresh mass and production of shoot buds

注：A、B為仙女洞村(XND)；C、D 為陶家溝村(TJG)；E、F為水源頭村(SYT)；G、H為繼昌村(JCC)；I、J為玉爾溝村(YEG) 圖5 單個莖尖鮮重和產量與土壤農化指標相關性分析Fig.5 Correlation analysis of agricultural chemical factors in soil between fresh mass and production of shoot buds

各田塊間pH無顯著差異，且處于5.5～8.5正常值范圍內，有利于維持土壤養分的有效性、微生物的生物量和多樣性以及土壤酶活性。同時DDT和六六六含量極低，未出現顯著差異且遠低于國家相關標準，說明周邊小環境生態條件優越、農事活動較少、保護措施嚴格。

各田塊水土農化指標與莼菜生長和產量之間無顯著相關性。說明莼菜田內水土營養元素和優良生態環境完全能夠滿足莼菜生長需要，莼菜長勢和產量已經達到穩定的平衡狀態。鑒于莼菜對環境條件要求較高，對水土中各種農化因子含量變化極為敏感，因此，可以考慮在人工控制條件下調節某些因子，以探索對莼菜生長和產量產生顯著影響的“臨界濃度”，構建更高的水土養分平衡狀態，從而實現產量提升。

由于莼菜是國家一級瀕危植物，對水土質量和生態環境要求極高，水土中的農化因子含量對其生長發育、產量以及品質都有全方位的影響。該試驗結果提供了當前莼菜田中水土的部分化學性質，為保護這一珍稀植物資源，進一步促進莼菜產業可持續發展，有必要對利川莼菜田水土農化因子含量等化學因素的變化持續監測和研究，為確立莼菜的最佳生長條件和研發標準化高產栽培管理技術，以及制定保護策略奠定基礎。